Способ термической обработки деталей

 

Изобретение относится к области термической обработки стали с помощью концентрированных источников энергии, конкретнее лазерным лучом, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей типа тел вращения. Цель изобретения - улучшение качества детали путем увеличения глубины упрочнения и повышения твердости. Сущность изобретения заключается в том, что в способе упрочнения стальных и чугунных деталей, имеющих форму тел вращения, с помощью непрерывного лазера, включающем вращение деталей при воздействии лазерного излучения с высокой скоростью и осевое смещение детали относительно лазерного луча, поддерживают температуру на поверхности одного витка при вращении детали в интервале от температуры начала мартенситного превращения М<SB POS="POST">н</SB> до температуры кипения металла при одновременном охлаждении участков поверхности детали перед пятном лазерного нагрева и после него. 1 ил., 3 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

С 21В 1/О

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4659655/ 31-02 (77) 24.01.89 (46) 30.12.90 . Бюл. 1 48 (71) МВТУ им. Н. Э . Баумана и Науч ноисследовательский центр по технологич ес ким ла з ерам АН СССР (72) А.Г.Васильева, А.Н.Сафонов, В.М.Тарасенко и F..À.!ttåðáaêoBà (53) 621. 785. 79 (088.8) (56) Заявка Японии Р 58-84927, кл. С 21 D 1/09, опублик. 1983.

Морящев С.Ф., Воинов С,С. Влияние режима лазерной закалки на предел выносливости и износостойкости сталей. Поверхность. Физика, химия, механика, 1984, Р 2, с. 138-142. (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ДЕТАЛЕЙ (57) Изобретение относится к терми ческой обработке стали с помощью концентрированных источников энергии, Изобретение относится к термической обработке стали с помощью концентрир ова нных источников энергии, конкретнее лазерным лучом, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей типа тел вращения.

Цель изобретения — улучшение качества детали путем увеличения глубины упрочнения и повышения твердости.

Сущность изобретения заключается в том, что при вращении детали температуру на поверхности одного витка вЫдерживают в интервале от температуры начала март енситного превраще„.,sU„„t6пОду д1

2 конкретнее лазерным лучом, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей типа вращения. Цель изобретения — улучшение качества детали путем глубины упрочнения и повышения твердости. Сущность изобретения заключается в том, что согласно способу упрочнения стальных и чугунных деталей„имеющих форму тел вращения, с помощью непрерывного лазера, в:-лючающему вращение деталей при воздействии лазерного излучения с высокой скоростью и осевое смещение детали относительно лазерного луча, поддерживают темпера"..уру на поверхность одного витка при в.",anеннк детали в интервале от температуры начала мартенситного превращения М „до температуры кипения металла при одновременном охлаждении участков поверхности детали пер ед пятном лаз ер ного нагрева и после него. 1 ил., 3 табл. (.Ь ния до температуры кипения металла ра при одновременном охлаждении участ- . ков поверхности деталей перед пятном лазерного нагрева и после него. В процессе охлаждения температуру 3. участка поверхности перед пятном лазерного нагрева поддерживают на уровне комнатной„а после пятна лазерного нагрева — на уровне тсчки конца мартенсптного пр евраще ния .

На чертеже представлена схема для, 4 осуществления предлагаемого способа.

Схема содержит деталь 1, манипулятор 2, пирометры 3 и 4, приемник 5 сигналов, сопла 6 и 7 для подачи охлаждающего газа или жидкости.

161 7007

Ра сшир ение интервала температур на поверхности одногo витка позволяет повысить плотность мощности лазер— нпгс излучения илп вести обработку

5 с меньшей скоростью. Оба эти фактора приводят к увеличению энерговклада в облучаемую поверхность, к прогреву на большую глубину и к увеличению

| глубины упрочненного слоя. Верхняя тем(,пература на поверхности определяется температурой начала кипения металла о (железа) Т „, равной 2870 C. При большей температуре на поверхности начинается заметное испарение метал—

1 ла, экра пир ование зоны обработки ! продуктами испарения, размеры упроч-!, ненных слоев могут понижаться, нес мотря «а большой энерговклад. Кроме того, превышение температуры испаре- 2р пня нежелательно из-за резкого ухудшения микрорельефа поверхнбсти.

Нижняя температура на поверхности может быть равна точке начала мартенситного превращения, так как при колебании от температуры испарения до

М н распад аустенита не происходит.

При температуре ниже И „в слое начинается распад аустенита в мартенсит, что может привести при нагреве от последующего витка к образованию зон отпуска, т.е. к снижению твердости и возрастанию неоднородности по поверхности. Снижение температуры на

IIOBPpXHOCTH (O М C одHOp OJIHblM IIO вышением ее до T KNIT позволяет увеличить время аустенитизации при лазерной закалке железоуглеродистых сталей, что очень важно для получения достаточной твердости, особенно в нижних слоях зоны термического воздействия. Углерод при этом может диффундирсвать на большое расстояние, успевает происходить более полное перераспределение его концентрации

45 между различными составляющими, что приводит к повышению общего уровня твердости при последующем охлаждении.Одновременное охлаждение участков поверхности детали перед лазерным лучом и после него необходимо для получения возможности понижения нижней границы температуры до точки

М н. Гез такого дополнительного охлаждения в районе температуры минимяльной устойчивости аустенита в 55 процессе охлаждения может произойти распад пер есхлажденногo аустенита на ферритокарбидную смесь, что приводпт к р е экому с ниже нию твердости п осле обработки. Охлаждение перед лазерным нагревом необходимо также для того, чтобы не только при охлаждении, но и в условиях многоциклового нагрева при наложении ряда витков избежать нагрева аустенита в область его р аспада на фе рритоцеме нтитную смесь. Таким образом, без охлаждения снижение температуры ниже Мя невозможно.

Температура охлаждения перед лазерным лучом должна быть выбрана на уровне комнатной. Это позволяет обеспечить наибольшую технологичность и производительность, обеспечивается также равномерность поглощейия излучения, что позволяет провести процесс стабильно. Снижение и повышение. температуры охлаждения требуют затрат подготовительного времени перед лазерной обработкой. Кроме того, повышение температуры охлаждения может привести к замедлению скор ости нагр ева и к р аспаду аустенита на ферритоцементитную смесь при нагреве, что является нредпосыпкой для снижения твердости.

Температура охлаждения участков поверхности после лазерного луча должна быть выбрана на уровне точки конца мартенситного превращения М, .

Это обеспечивает практически полное завершение превращения аустенита в мартенсит. При большей температуре охлаждения происходит неполное превращение аустенита, что приводит к снижению твердости. Снижение температуры охлаждения не приводит к заметному снижению содержания остаточного аустенита, поскольку в силу высокой скорости охлаждения после лазерного нагрева процессы стабилизации аустенита в интервале М Н вЂ” MI, выражены слабо. Может уменьшаться глубина прогрева, поэтому снижение температуры охлаждения в данных условиях приводит лишь к усложнению технол агни, Применение попдержания температуры на поверхности одного витка от температуры начала мартенситного превращения N до температуры ниже кипения металла при одновременном охлаждении участков поверхности детали перед лазерным лучом и после него в охлаждающей среде позволяет

1617007 увеличить глубину упрочнения в

1,8 — 2,3 раза и повысить микротвердость на 31 — 517 по сравнению с известныи способом.

Способ осуществляют следующим образом.

Для данной марки стали или чугуна, иэ которой изготовлена деталь, по справочнику определяют характерные температуры точек Мк, M, Т„„

Температуры М и К понижаются при увеличении содержания углерода в стали, исходя из диаметра детали и необходимой глубины упрочнения при помощи решений задач теплопроводности определяют примерные варианты режимов лазерной обработки: мощность излучения Р, скорость вращения и, значение осевой подачи S> при заданном диаметре пятна d .

Деталь 1, имеющую форму тела вращения, закрепляют в манипуляторе 2 и сообщают ей вращательно-поступательное Перемещение, при этом на ее поверхность воздействуют лазерным излучением. В процессе наложения нескольких пробных витков определяют получаемый интервал температур на поверхности за один виток при помощи двух пирометров. Одним пирометром (3) измеряют максимальную температуру нагрева в лазерном пятне в начале витка, а другим пирометром (4) — температуру рядом в конце витка. Рассчитанные ранее режимы лазерной обработки корректируют, максимальную температуру в пятне, определяемую пирометром 3, регулируют чаще всего изменением осевой подачи или плотности мощности

Ч = 4Р/nd при равномерном распределении или

" ма ко 8P / d u при Гауссовском распределении энергии по пятну, при этом кипение металла обычно начинается при значениях

q Ф(20 — 26) - 10 Вт/см

4 2 (Минимальную температуру нагрева, которая должна соответствовать температуре точки М, удобнее всего регулировать изменением скорости вращения. При этом возможна автоматическая регулировка температуры при

5 выводе сигналов с пирометров в соответствующие приемники 5 сигналов и далее в систему управления лазерным комплексом. Температуру поверхности деталей перед лазерным лучом понижают при подаче охлаждающей жидкости или холодного газа через сопло 6, а температуру поверхности деталей после лазерного луча понижают лри подаче охлаждающей жидкости или холодного газа через сопло 7.

Температуру участков контролируют контактными термометрами или термопарами.

В процессе быстрого вращения на участке поверхности А, захватывающем несколько соседних витков, температура может изменяться от Ткия goo несколько раз. Однако ввиду того, что осуществляется охлаждение поверхности после лазерного луча на уровне температуры М,, охлаждение

2р Hpåò со скоростью вьпне критической и обеспечивается переохлаждеиие аустенита до температуры М . Далее следует нагрев уже за счет прохождения пятна по второму витку (если

25 учесть, что обработка ведется с большим перекрытием витков) . Охлаждение поверхности деталей перед лазерным лучом до комнатной температуры приводит к высокой скорости нагрева и предупреждает распад аустенита на ферритоперлитную смесь при нагреве.

После смещения лазерного пятна с . участка А и окончания его нагрева эта часть поверхности охлаждается со сверхкритической скоростью эа

35 счет теплоотвода во внутренние слои металла и за счет дополнительного охлаждения в охлаждающей среде. Охлаждение до температуры М обеспечиH

4О вает полное превращение аустенита в мартенсит и получение максимальной для данн ой с тали т верд ос ти .

Пример 1. Упрочнение прутка из стали 45 диаметром 5 мм.

45 Сталь имеет следующие хаРактеРные температуры: M ц = 350 С; М =

70оС; Ткир = 287000.

Пруток устанавливают во вращающемся патроне и вращают со скоростью

5О и = 2850 об/мин. Лазерную обработку ведут при мощности излучения P =

= 2,5 кВт. Перед лазерным нагревом и после нагрева поверхность охлаждают водой до температуры о

20 С. Температура на поверхности в лазерном пятне и на поверхности витка после лазерного пятна измеряют при помощи пирометров "Проминь" и регулируют изменением скорости вращения а

161 7007

При различных значениях диаметра пятна dz и скорости осевой подачи S„ достигаются различные температурные интер валы на лов ерхности одного витка. После упрочнения изготавливают металлографические шлифы, измеряют (; глубину упрочнения на оптическом микроскойе "Неофот 21", а микротвер; дос ть — на прибор е ПМТ-3 .

Данные представлены в табл .1.

Из данных табл.1 видно, что при

: обработке по предлагаемому способу при поддержании температуры в интервале от точки М до температуры ни- 15 же . „ глубина упрочнения увеличива ется в 1,8 раза, а микр отвердость:, на 31 по сравнению с известным спо. собом (нагрев в интервале температур

700 С-Тпд без охлаждения поверхности) 20

Пример 2. Упрочнение прутка из стали 45 диаметром 5 ьм. Пруток устанавливают во вращающемся патроне и вращают со скоростью n = 2850 об/мнн при осевой подаче S> = 24 мм/с. Ла25 зерную обработку ведут по режимам . мощность излучения Р = 2,5 кВТ; диаметр пятна d = 2 мм, Температура в центре лазерного пятна составляет

2800 С, а в конце витка — 350 С. Перед лазерным нагревом поверхность охлаждают струей воды с различной температурой: вышее, ниже и равной комнатной. Поверхность прутка после лазерного нагрева охлаждают воцой до 35 комнатной температуры. После упрочнения изготавливают металлографические шпифы, измеряют глубину упрочнения на оптическом микроскопе "Неофот 21", а микротвердость — на при- 40 боре ПМТ-3

Данные приведены в табл.2.

Из данных табл.2 видно, что при охлаждении участка поверхности перед лазерным нагревом до комнатной темпе- 45 ратуры достигается наилучшее сочетанч е глуби ны и микр от верд ости, Пример 3. Упрочнение прутка из стали 65 диаметром 8 мм.

Сталь имеет следующие характерные 50 температуры: Typal = 2870 Ср Мя < 280 С;о

М = — 20 C.

Пруток устанавливают во вращающемся патроне и вращают со скоростью

2000 об/мин при осевой подаче 55

S = 20 мм/с. Лазерную обработку

11 ведут по режимам: мощность излучения

Р = 2,5 кВт, диаметр пятна йп = 2 им.

Температура в центре лазерного пятна составляет 2870 С, а в конце вита ка — 280 С . Перед лазерным нагревом поверхность охлаждают струей воды до комнатной температуры. Поверхность прутка после лазерного нагрева охлаждают водой до комнатной температуры и струей жидкого азота до -20 С и о

-30 С. Проводят упрочнение без охлаждения поверхности перед лазерным пятном и после него при d„= 3 мм и

S.1 = 12 мм/с. При этом интервал температур на поверхности одного витка о

700 — 1400 С ° После упрочнения изготавливают металлографические шпифы, измеряют глубину упрочнения на оптическом микроскопе "Неофот 21", а микротвердость — на приборе ПМТ-3.

Данные указаны в табл.3.

Из данных табл.3 видно, что охлаждение поверхности после лазерного нагрева до температуры точки М„ дает наилучшее сочетание глубины и микротвердости. При обработке по предлагаемому способу глубина упрочнения увеличивается в 2,3 раза, а микротвердость повышается примерно на

517. по сравнению с известным способом (без охлаждения поверхности перед лазерным нагревом и после него).

Формула из обр ет ения

Способ термической обработки деталей, преимущественно тел вращения из стали и чугуна, включающий вращение и осевое смещение детали, нагрев поверхности лучом лазера с формированием локальной зоны, движущейся вдоль витка вращения детали, поддержание температуры на поверхности одного витка в заданном интервале значений и охлаждение, о т личающийситем, что, сцелью улучшения качества детали путем увеличения глубины упрочнения и по-. вышения твердости, охлаждение переддвижущейся локальной зоной нагрева осуществляют до температуры не выше комнатной и одновременно после зоны до температуры не выше конца мартенситного превращения.

2, Способ по 1, о т л и ч а ю— щ и и с л тем, что поддержание температуры на поверхности одного нитка проводят в интервале от температуры начала мартенситного превращения до температуры кипения металла.

l617007

Таблица 1 неера тур центре н ,oc на та очне

1420(тщ ) г8оо(т„)

2870(Т„„„) 700

350(на)

280(<На) 09 3 6400

О, 54 8400

0,65 5300

Глубина упр оч некиа мм

8400

0,54

0,56

0,5

50

Глубина упр очнения, мм

8600

0,55

9200

0,55

0,5

6300

0,24

Ба, Окла цение ии ни

3 15 Нет г г4 Воц8

t8 28

Температура охлажде- . ния поверхности перед лазерным пятном, С о, Характеристика

Температура охлаждения поверхности после нагрева, С о йодой до 20 С о азотом до

-20 С (Мк)

-30 Ñ ((М )

Без охлаждения поверхности перед лазерным нагревом и после него при ЙН = 3 мм, Бп = 12 мм/с

Таблица

Средняя микротвердость, МПа

Таблица 3

Средняя микротвердость, МПа

1617007 луч лазера,к СУ

АЛЬ

Составитель A. Кулемин

Редактор М.Петрова Техред Л. Сердюкова

Корректор M.Øàðoøè

Заказ 4098 Тираж 512 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям н открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно †издательск комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101